ICP-OES检测系统结构及原理分析-华普通用

ICP-OES检测系统即光电转换器件有光电倍增管和电荷转移器件两种。由光电转换器将光强度转换成电信号，在积分放大后，通过输出装置给出定性或定量分析结果。

1 光电倍增管

光电倍增管由光阴极、倍增极及阳极构成。原子发射光谱分析要求选用低倍电流的管子，其光阴极材料依据分光系统波段范围来选择。如紫外光区要选用Cs-Sb阴极和石英窗的管子；可见光区用Ag-Bi-O-Cs阴极的管子，近红外区则用Ag-O-Cs阴极的管子。由于光谱分析的工作波长范围较宽，往往采用2～3个光管倍增管组合成光电检测系统。如Varian的Liberty系列ICP-OES检测系统采用双光电倍增管，一个为用于紫外光区的日盲管，具有Cs-Te阴极，另一个具有多碱阴极的用于可见光区。Light ACE·LTD的Integra XL型等离子体光谱仪用R166UH光电倍增管测量紫外光，用R446宽波段光电倍增管测量可见光。Jarre11-Ash Atomscan光谱仪则采用三个倍管组合，可在178～800nm均有较好的响应。图1是三个光电倍增管组合后的响应曲线。

图1 组合光电管倍增管的响应曲线

为了获得较好的测量精密度，使用时光电倍增管电压必须要高于一个定值，以获得一定的光电流值。超过此值后，增加光电倍增管电压无助于提高分析精密度。

2 信号处理单元

光电倍増管输出的电压信号需经处理再输入到计算机。信号处理的目的是増加测量准确度及线性动态范围。有几种处理方式。一种是将输出的光电流用电容器积分，将积分电压（v）信号经VF转换成频率（F）数字信号，再经计算机处理。另一种是将光电信号进行分段积分。分段积分是将光电信号经电容作电荷累积，在曝光积分期间，计算机每隔一定时间间隔（如20ms）询问积分器一次，通过控制器接口，依次将积分电容与运算放大器接通，并经A/D转换为数字信号送入计算机，计算机判断此电压是否大于或等于某一数值（如积分电压的最大值的一半为5V），一若大于等于该值，则令相应开关将电容器短路，使积分电容放电，并将相应数字存在内存单元，再开启相应短路开关，让积分器继续充电。若判断此电压值小于该值，则不做进一步处理，让电容继续充电积分。上述充电积分充电过程反复进行，直至曝光结朿，计算机将各次积分电压累加。这种积分方式多用在多通道光谱仪器。由于分段积分最后累加，可以扩大测量动态范围，并增加测量精密度。

图2是ICPQ-100多通道ICP光谱仪的积分电路。它的工作原理如下：当K1闭合K2断开时，积分放大器不能工作。如断开K1，K2闭合，同时断开K5和K6开关，此时电容器C1，C2，C3开始充电。积分时间到达后立即断开K2，闭合K1，积分电容上的电荷流向运算放大器μPC252，经放大后输入A/D变换器转成数字信号输入计算机。再将K6闭合，放掉积分电容上的电荷，进行下一次积分运行。

图2 ICPQ-100多通道ICP-OES检测系统的积分电路

3 ICP-OES检测系统电荷转移器件

电荷转移器件（CTD，charge，transfer·devices）是新一代的光谱用光电转换器件。它是一类以半导体硅片为基材的光敏元件制成的多元阵列集成电路式焦平面检测器，已在原子发射光谱仪器中成功应用的有电荷耦合器件（charge coupled device，即CCD）及电荷注入器件（charge-injection device，即CID）。目前已逐渐取代光电倍增管在原子发射光谱中的应用。它的主要优点是可以一次曝光同时摄取从紫外光区至远红外光区的全部光谱。而光电倍增管则一次曝光只能摄取一条谱线。同时作为硅半导体器件，它比光电倍增管有更好的耐用性和小的体积等一系列特点。